(57)【要約】【課題】    従来よりも小型のノズルであって、熱間圧延鋼材等の冷却装置にも適用可能なノズルを提供するとともに、このノズルを備えたヘッダー及び当該ヘッダーを備えた冷却装置並びにその冷却装置を用いる鋼板の冷却方法を提供する。【解決手段】  流体を混合して噴射する装置に使用されるチップ状のノズル１００であって、入り側流路１、混合部３、及び出側流路２がこの順に配置されてチップ１００を貫通する主流路８と、チップの側面９から混合部３へと通じるとともに流れ方向が主流路８に対して３０〜６０度の角度をなす複数の副流路４、４、…とを備え、入り側流路１はその入口側開口が混合部側開口より小であるとともに、流路側面５の流れ方向に対する傾斜が５〜２５度の角度をなしている、ことを特徴とする、ノズル１００を設ける。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を混合して噴射する装置に使用されるチップ状のノズルであって、
入り側流路、混合部、及び出側流路がこの順に配置されて前記チップを貫通する主流路と、前記チップの側面から前記混合部へと通じるとともに流れ方向が前記主流路に対して３０〜６０度の角度をなす複数の副流路とを備え、
前記入り側流路はその入口側開口が前記混合部側開口より小であるとともに、流路側面の流れ方向に対する傾斜が５〜２５度の角度をなしている、ことを特徴とする、ノズル。
【請求項２】
前記出側流路は、その出口側開口が前記混合部側開口より大きく形成されており、その側面がテーパ状に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のノズル。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のノズルを備えたヘッダーであって、
前記入り側流路の入口側開口に通じる第１流体供給部と、前記副流路の前記チップ側面開口に通じる第２流体供給部と、これら流体供給部を仕切る第１隔壁と、前記第２流体供給部と被噴射面側とを仕切る第２隔壁とを備え、
前記チップは、前記第１及び第２隔壁に固定されるとともに、前記出側流路は、前記第２隔壁の被噴射面側に開口している、ことを特徴とする、ヘッダー。
【請求項４】
前記第１流体供給部に供給される流体が気体であるとともに、前記第２流体供給部に供給される流体が液体であることを特徴とする、請求項３に記載のヘッダー。
【請求項５】
前記気体が空気であり、前記液体が水であることを特徴とする、請求項４に記載のヘッダー。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか１項に記載のヘッダーを備えることを特徴とする、冷却装置。
【請求項７】
前記ヘッダーから流体が噴射される噴射面に、マスキング装置が備えられていることを特徴とする、請求項６に記載の冷却装置。
【請求項８】
請求項１又は２に記載のノズルに流体を供給する方法であって、前記入り側流路から供給される流体の供給圧Ｐ１と、複数の前記副流路から供給される流体の供給圧Ｐ２とが、Ｐ１＞Ｐ２  を満たすことを特徴とする、流体供給方法。
【請求項９】
前記Ｐ１及び前記Ｐ２が、Ｐ１＞Ｐ２＋０．０５（ＭＰａ）  を満たすことを特徴とする、請求項８に記載の流体供給方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の冷却装置を用いて鋼板を冷却する方法であって、
前記冷却装置に備えられている前記ヘッダーは、複数の前記マスキング装置を備えるとともに、
備えられている複数の前記マスキング装置のうち少なくとも２つの前記マスキング装置の間隔は、鋼板の板幅以下であることを特徴とする、鋼板の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置、当該装置に備えられるヘッダー、及びノズル、並びに鋼材の冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱加工制御（Thermo-mechanical Controlled Process、以後、「ＴＭＣＰ」と記す。）技術等の発達に伴い、近年、オンラインによる制御冷却技術を用いて製造される鋼板が増加している。このＴＭＣＰ技術により製造される鋼板では、冷却装置による冷却後における鋼板内の温度ムラが問題となる。一定値以上の温度ムラを有する鋼板の形状を矯正すると、形状矯正後に次工程へと鋼板が搬送される過程において、温度ムラに起因する平坦度不良が発生することから、良好な平坦度を有する鋼板を製造するためには、冷却装置を用いて鋼板を均一に冷却することが重要である。
一方で、熱間圧延鋼板の製造ラインに配置される冷却装置では、通常、液体のみもしくは気体と液体とを混合させた混合物を鋼板表面へ噴射することにより、当該鋼板を冷却しており、この混合物は、気液混合ノズルから噴射されている。
【０００３】
冷却装置を用いて鋼板を均一に冷却する目的等を達成するため、これまでに、気液混合ノズルに関する開発が進められてきている。例えば、特許文献１及び特許文献２には、現在用いられている代表的な鋼材冷却用気液混合ノズルが開示されている。特許文献１に開示されている気液混合ノズルは、エアーと水とを別々に供給し、ノズル内で混合させて噴霧するものである。さらに、当該文献では、エアー供給管と液供給管とを混合アダプタを介して気液供給管に接続し、この先端に取り付けたノズルより気液を噴霧することにより、ミスト流を得ることができる装置も開示されている。これに対し、特許文献２に開示されているノズルは、鋼板の連続焼鈍設備における冷却装置に関するもので、各々独立した冷却媒体を供給する外側ヘッダーと内側ヘッダーとを備え、内側ヘッダーから気液混合ガスをジェット流として供給するとともに、外側のヘッダーから同様に気液混合ガスを環状衝突流として供給し、両者を混合させて冷却を行うものである。
【特許文献１】特許第２８６５９９４号
【特許文献２】実開平１−１２９２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されている気液混合ノズルは、ノズル単体でみると冷却能力は大きいが、ノズル自身が大きいため、ヘッダーに設置して用いる場合には、スプレーノズルの配列密度が小さくなり、全体として冷却能力が劣るだけでなく、鋼板の冷却が不均一になるという問題点があった。一方で、特許文献２に開示されている気液混合ノズルは、連続焼鈍される鋼板を冷却する際に使用されるものであり、鋼板表面に付着する冷却水量を少なくして流下水の発生を防ぎ、均一冷却することを目的としたものである。連続焼鈍される鋼板はコイル状の薄鋼板であり、厚鋼板とは鋼材自身の冷却速度が異なる点を鑑みると、例えば、熱間圧延鋼材を冷却する装置に当該ノズルを設置して使用しても、冷却装置の能力が極端に劣るため、熱間圧延鋼材用の冷却装置としては適当でないという問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明は、従来よりも小型のノズルであって、熱間圧延鋼材等の冷却装置にも適用可能なノズルを提供するとともに、このノズルを備えたヘッダー及び当該ヘッダーを備えた冷却装置並びにその冷却装置を用いる鋼板の冷却方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
【０００７】
請求項１に記載の発明は、流体を混合して噴射する装置に使用されるチップ状のノズル（１００）であって、
入り側流路（１）、混合部（３）、及び出側流路（２）がこの順に配置されてチップ（１００）を貫通する主流路（８）と、チップの側面（９）から混合部（３）へと通じるとともに流れ方向が主流路（８）に対して３０〜６０度の角度をなす複数の副流路（４）、（４）、…とを備え、
入り側流路（１）はその入口側開口が混合部側開口より小であるとともに、流路側面（５）の流れ方向に対する傾斜が５〜２５度の角度をなしている、ことを特徴とする、ノズル（１００）により、上記課題を解決しようとするものである。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、テーパ状の側面（５）を有する入り側流路（１）を通って供給される流体と、チップの側面（９）から混合部（３）へと通じるとともに流れ方向が主流路（８）に対して３０〜６０度の角度をなす複数の副流路（４）、（４）、…を通って供給される流体とが、混合部（３）において均一に混合される。
ここで、「流体」は、気体、液体、及び粉体等圧力をかけることにより流動可能なものを含む概念である。また、「流れ方向」とは、流体の流れる方向であって、流路の中心線の方向をいう。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１のノズル（１００）において、出側流路（２）は、その出口側開口が混合部側開口より大きく形成されており、その側面（１０）がテーパ状に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、出側流路（２）における出口側開口が混合部側開口より大きく形成されていることにより、ノズル（１００）の混合部（３）において混合された流体が、その自由度を減ずることなく霧状となって噴射されやすくなり、この出側流路の側面（１０）がテーパ状であることにより、かかる効果がより顕著となる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のノズル（１００）を備えたヘッダー（２００）であって、
入り側流路（１）の入口側開口に通じる第１流体供給部（２０）と、副流路（４）のチップ側面開口に通じる第２流体供給部（２１）と、これら流体供給部を仕切る第１隔壁（３０）と、第２流体供給部（２１）と被噴射面側とを仕切る第２隔壁（３１）とを備え、
チップ（１００）は、第１隔壁（３０）及び第２隔壁（３１）に固定されるとともに、出側流路（２）は、第２隔壁（３１）の被噴射面側に開口していることを特徴とする、ヘッダーにより上記課題を解決しようとするものである。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、ヘッダー（２００）がノズル（１００）を備えることにより、第１流体供給部（２０）から供給された流体と、第２流体供給部（２１）から供給された流体とが混合部（３）において十分に混合されるとともに、この混合された混合物を噴射し得るヘッダー（２００）を得ることが可能になる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のヘッダー（２００）において、第１流体供給部（２０）に供給される流体が気体であるとともに、第２流体供給部（２１）に供給される流体が液体であることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のヘッダー（２００）において、気体が空気であり、液体が水であることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項３〜５のいずれか１項に記載のヘッダー（２００）を備えることを特徴とする冷却装置により、上記課題を解決しようとするものである。
【００１６】
請求項６に記載の発明によれば、冷却装置が、本発明のヘッダー（２００）を備えることにより、ノズル（１００）の混合部（３）において十分に混合された混合物を噴射することが可能となり、被冷却物を均一に冷却することが容易になる。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の冷却装置において、ヘッダー（２００）から流体が噴射される噴射面（４０）に、マスキング装置（５０）が備えられていることを特徴とする。
【００１８】
請求項７に記載の発明によれば、冷却装置に備えられたヘッダー（２００）の噴射面（４０）に、マスキング装置（５０）が備えられることにより、混合物の噴射を制限することが可能になる。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、請求項１又は２に記載のノズル（１００）に流体を供給する方法であって、入り側流路（１）から供給される流体の供給圧Ｐ１と、複数の副流路（４）、（４）、…から供給される流体の供給圧Ｐ２とが、Ｐ１＞Ｐ２  を満たすことを特徴とする、流体供給方法により、上記課題を解決しようとするものである。
【００２０】
請求項８に記載の発明によれば、供給圧がＰ１である流体及び供給圧がＰ２である流体が、本発明のノズル（２００）における混合部（３）において均一に混合することが可能になる。
【００２１】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の物質供給方法において、Ｐ１及びＰ２が、
Ｐ１＞Ｐ２＋０．０５（ＭＰａ）  を満たすことを特徴とする。
【００２２】
請求項９に記載の発明によれば、本発明のノズル（１００）が、鋼板の製造ラインに設置された本発明の冷却装置に備えられた場合に、鋼板を均一に冷却することが可能となり、鋼板における温度ムラの値を小さくすることが容易になる。
【００２３】
請求項１０に記載の発明は、請求項７に記載の冷却装置を用いて鋼板を冷却する方法であって、冷却装置に備えられているヘッダー（２００）は、複数のマスキング装置（５０）、（５０）、…を備えるとともに、備えられている複数のマスキング装置（５０）、（５０）、…のうち、少なくとも２つのマスキング装置（５０）、（５０）の間隔は、鋼板の板幅以下であることを特徴とする、鋼板の冷却方法により、上記課題を解決しようとするものである。
【００２４】
請求項１０に記載の発明によれば、均一な混合物を噴射可能な本発明のヘッダー（２００）を備える冷却装置を用いて鋼板を冷却することにより、鋼板を均一に冷却することが可能になる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のノズルによれば、均一な混合物を噴射することが可能であるため、これを冷却用に使用すれば、これまで最も冷却能力が高いとされていたスリットジェットノズルよりも、少ない流量で高い冷却効果を得ることができる。
また、本発明のノズルは従来のノズルの１／３程度の大きさであるほか、本発明のノズルが二重構造を有する本発明のヘッダーに備えられると、ノズルに供給される流体は配管を介することなくヘッダーからノズルへと直接供給され、従来は必要であった配管が不要になる。したがって、本発明のヘッダーは、ノズルの配置密度を従来よりも大きくすることが可能になり、被冷却材を均一に冷却することができる。
さらに、かかる特徴を有するヘッダーを具備する本発明の冷却装置は、高い冷却能力を有するとともに被冷却材を均一に冷却することが可能である。したがって、本発明の冷却装置は、冷却装置内に備えるべきヘッダー数を抑えることが可能になるため、冷却装置の小型化を図ることが可能になる。
加えて、このような特徴を有する本発明の冷却装置を、熱間圧延鋼板等の冷却装置として適用すれば、鋼板を均一に冷却し得る鋼板の冷却方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。
なお、以下において、本発明のノズルを通して物質が噴射される場合には、入り側流路に圧縮空気が供給されるとともに、複数の副流路（以後、単に「副流路」と記述することがある。）に工業用水が供給されることを想定して記載するが、入り側流路及び副流路に供給される流体はこれらに限定されず、気体、液体、及び粉体等圧力をかけることにより流動可能なものから適宜選択することができる。
また、以下において、本発明のノズルを備えたヘッダーは、熱間圧延鋼板等の冷却装置に備えられることを想定して記述するが、例えば、温度維持装置や加熱装置等にも使用され得る。
【００２７】
１．ノズル
本発明のノズルの実施形態例を、図１に示す。図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明のノズル１００を鉛直方向に切断した場合における断面図であり、図の下方向に噴射が行われる。ここで、図１（ａ）は、一定の空間を有する混合部３を備えるノズル１００の断面図であり、図１（ｂ）は、単なる合流部である混合部３を備えるノズル１００の断面図、そして、図１（ｃ）は、副流路を含まない鉛直方向断面を示す図である。
本発明のノズル１００は、流体を混合して噴射する装置に使用されるチップ状のノズル１００であって、入り側流路１、混合部３、及び出側流路２がこの順に配置されてチップ１００を貫通する主流路８と、チップの側面９から混合部３へと通じるとともに流れ方向が主流路８に対して３０〜６０度の角度をなす複数の副流路４、４、…とを備え、入り側流路１はその入口側開口が混合部側開口より小であるとともに、流路側面５の流れ方向に対する傾斜が５〜２５度の角度をなしている、ことを特徴とする。
【００２８】
１．１．入り側流路
入り側流路１において、その入口側開口は混合部側開口よりも小さい。かかる形状を採ることにより、入口側開口から供給される圧縮空気を絞って当該空気の流速を増加させる、いわゆるオリフィスの役割を果たすことが可能になる。また、入り側流路の側面５は、入り側流路１の流れ方向に対する傾斜が５〜２５度の角度をなしている。すなわち、入口側開口及び混合部側開口が共に円形であり、入口側開口が混合部側開口よりも上方に位置している場合、入り側流路１は、戴頭円錐の形状を有する。入り側流路１がかかる形状を採ることにより、流路１の入口側開口から流入する圧縮空気が、この開口から混合部側開口へと進むにつれて均一に広がり易くなり、副流路４、４から流入する工業用水と、混合部３において均一に混合され得る。
【００２９】
上記角度（以後、「テーパ角度」と記述する。）は、このノズル１００が鋼板冷却用の冷却装置に備えられる場合に、混合部３において均一に混合した気液混合物により鋼板を均一に冷却することを可能にするため、５〜２５度であることが好ましい。かかる角度とすることにより、冷却装置の冷却能力が向上するため、鋼板の生産コストを抑制することが可能になる。より好ましくは、１０〜２０度である。図２に、冷却装置の平均冷却能力と均一性（温度むらΔＴ一定）を一定とした場合における、テーパ角度と気液比との関係を示す。ここで、鋼板の生産コスト及び冷却装置の冷却能の観点から、気液比の値は７以下であることが好ましく、図２より、かかる条件を満足するテーパ角度の範囲は５〜２５度であることが分かる。
【００３０】
１．２．出側流路
ノズル１００を通して気液混合物が噴射される際、出側流路２は、噴射される気液混合物が通過する。出側流路２において、混合部側開口を出口側開口よりも小さくすることにより、混合部３において混合された気液混合物が、出口側開口から噴射されやすくなる。また、出側流路２がテーパ状の側面１０を備えることにより、出口側開口から噴射される気液混合物が均一になる。したがって、出側流路２がかかる形状を備えるノズル１００とすることにより、このノズル１００を備える熱間圧延鋼板等の冷却装置は、均一な気液混合物を噴射することが容易になり、その冷却能力を向上させることが可能になる。
【００３１】
１．３．混合部
ノズル１００を通して気液混合物が噴射される際、混合部３では、入り側流路１から供給される圧縮空気と副流路４、４から供給される工業用水とが混合されて気液混合物となる。入り側流路１及び副流路４、４が上記形状を備えることにより、混合部３において均一な気液混合物を得ることが可能になり、出側流路２から均一な気液混合物を噴射することが可能になる。
なお、混合部３の形状は特に限定されず、均一な混合物が得られる限り、どのような形状であっても良い。例えば、混合部３は、図１（ａ）のように一定の空間を有する形状であっても良く、図１（ｂ）及び（ｃ）のように単なる合流部であっても良い。
【００３２】
１．４．副流路
複数の副流路４、４の流れ方向を、主流路８に対して３０〜６０度の角度とすることにより、入り側流路１から供給される圧縮空気と副流路４、４から供給される工業用水との混合が均一になる。したがって、複数の副流路４、４の流れ方向が、主流路８に対してなす角度は３０〜６０度であることが好ましい。より好ましくは、４０〜５０度である。副流路４、４の流れ方向が、主流路８と上記角度をなすことにより、本発明のノズル１００を備える熱間圧延鋼板等の冷却装置は、均一な気液混合物を得ることが容易になり、その冷却能力を向上させることが可能になる。
なお、図１は、副流路４を２つ備えるノズル１００の断面図であるため、図中には２つの副流路４、４が示されているが、本発明のノズル１００が備える副流路４の数は、２以上であれば特に限定されない。
【００３３】
１．５．ネジ部及びシール
ネジ部６は、本発明のチップ状のノズル１００（以後、本発明のノズル１００の外形形状について記載する場合、チップ状のノズル１００を単に「チップ１００」と記載することがある。）をヘッダー２００へ固定する際に活用され、その形状は特に限定されない。なお、図１に示すチップ１００では、ネジ部６を記載したが、本発明のチップ１００をヘッダー２００へ固定可能であれば、ネジ部６に代わる形状を有していても良い。例えば、チップ１００をヘッダー２００へ押し付けて装着する際に適する嵌合構造等を好適に備えることができる。
図１に示すチップ１００において、シール７は、Ｏ−リングが配設されることを想定して示したが、シリコーンやシールテープが備えられても良く、チップ１００からの液体等の漏洩を防止可能であれば、備えられる部材は特に限定されない。
【００３４】
１．６．チップの形状
チップ１００の形状は、特に限定されず、例えば、円柱状とすることができる。これ以外にも、例えば、角柱状等の柱状又は戴頭円錐等の形状とすることができ、さらに、入口側開口が属する部位及び／又は出口側開口が属する部位の形状だけでなく、チップ１００の側面９を適当な形状としても良い。例えば、チップ側面の少なくとも一部に切り込みを入れた形状等とすることができる。
【００３５】
２．ヘッダー
本発明のヘッダーの実施形態例を、図３及び図４に示す。図３は、本発明のヘッダー２００を鉛直方向に切断した場合における断面図であり、図４は、図３におけるＡ−Ａ断面のうち、本発明のノズル１００が設置されている箇所及びその周辺のみを拡大した断面図である。
【００３６】
本発明のヘッダー２００は、本発明のチップ状のノズル１００を備え、入り側流路１の入口側開口に通じる第１流体供給部２０と、副流路４、４のチップ側面開口に通じる第２流体供給部２１と、これら流体供給部を仕切る第１隔壁３０と、第２流体供給部２１と被噴射面側とを仕切る第２隔壁３１とを備え、チップ１００は、第１隔壁３０及び第２隔壁３１に固定されるとともに、出側流路２は、第２隔壁３１の被噴射面側に開口していることを特徴とする。
なお、図３において、チップ１００は便宜的に一つのみを示したが、本発明のヘッダー２００は、複数のチップ１００、１００、…を備えるものとする。
また、図４において、第１流体供給部２０内の圧縮空気は、入り側流路１を通って供給されるとともに、第２流体供給部２１内の工業用水は、副流路４、４を通って供給され、チップ１００の混合部３において混合された後、かかる気液混合物は、出側流路２を通って、出口側開口より噴射される。
【００３７】
２．１．ノズル密度
ヘッダーに設置されるノズルの設置密度が大きいほど、ヘッダーから噴射される気液混合物の量が増すと同時に噴流衝突点の総面積が増加するので冷却能が増加する。したがって、単に水量を増加させるよりノズル密度を増すことにより、ヘッダーの冷却能力を向上させることが好ましい。従来のノズルは、その大きさが本発明のノズル１００よりも大きいため、ヘッダーにおけるノズル密度を一定値以上とすることができず、均一な冷却をすることが困難であった。しかし、本発明のノズル１００は、従来よりも小型であるため、当該密度を増すことにより、均一な冷却をすることが可能になるほか、冷却能力が向上するため、熱間圧延鋼板等の冷却装置としても利用され得る。
本発明のヘッダー２００において、ノズル密度の値は特に限定されないが、かかる密度を１００個／ｍ２以上とすることにより、高い冷却能力を有するヘッダーを得ることが容易になり、当該ヘッダーを熱間圧延鋼板等の冷却装置に用いる場合には、高い冷却能力を有するとともに熱間圧延鋼板等を均一に冷却し得る冷却装置とすることが可能である。したがって、本発明のヘッダー２００において、ノズル密度は１００個／ｍ２以上とすることが好ましく、かかる密度を有するノズルは、千鳥状に配置されることが好ましい。
【００３８】
２．２．ヘッダーの形状
本発明のヘッダー２００における噴射面４０の形状例を、図５に示す。図５は、ヘッダー２００の側面図である。ここで、図５の各図において、実線は、紙面方向に最も手前のノズルから噴射されている気液混合物を、点線は、それ以外のノズルから噴射されている気液混合物を、それぞれ示している。
本発明において、ヘッダー２００における噴射面４０の形状は特に限定されないが、フラット状（図５（ａ））、又は円弧状（図５（ｂ））等の形状とすることが好ましい。さらに好ましくは、台形状（図５（ｃ））である。
これは、以下の理由による。すなわち、ノズルを備えるヘッダーをテーブルローラー間に設置し、下から上へと気液混合物を噴射して鋼板の下面を冷却する場合において、
１）噴射面４０を台形状とし、斜めの面４１、４１にノズルを一列ずつ配置すれば、ヘッダーの斜め上方への気液混合物の噴射が容易になり、ロールと鋼板との接点近傍の領域にも気液混合物を到達させることが可能になるため、冷却面積が増大し鋼板の強冷却及び均一冷却が可能になる。
２）噴射面４０が水平ではない面にそれぞれ二列以上のノズルを配置すると、鋼板下面に衝突した後の冷却水と噴射面４０から噴射される気液混合物とが干渉して冷却効果が低下する結果、鋼板の冷却効率が低下するが、噴射面４０を台形状とし、噴射面４０における斜めの面４１、４１にノズルを一列ずつ配置することにより、干渉による冷却能低下を防止しつつ、鋼板を強冷却、均一冷却することが可能になる。
したがって、噴射面４０の形状は、さらに好ましくは台形状である。
噴射面４０がかかる形状を採ることにより、本発明のヘッダー２００を備える熱間圧延鋼板等の冷却装置の冷却能力を向上させることもできる。
【００３９】
３．冷却装置
本発明の冷却装置は、本発明のヘッダー２００を備えることを特徴とする。本発明のヘッダー２００は、従来よりも小型である本発明のノズル１００を備えるため、圧縮空気と工業用水とが均一に混合した気液混合物を噴射することが可能である。したがって、かかるヘッダー２００を備える冷却装置を、熱間圧延鋼板等の冷却装置として用いることにより、熱間圧延鋼板等を均一に冷却することが可能になる。ここで、熱間圧延鋼板等の冷却装置において圧縮空気及び工業用水を冷却媒体として使用する場合には、これらに混入している不純物等が本発明のノズル２００に詰まることを防止するため、各媒体はフィルターを通して供給することが好ましい。
【００４０】
３．１．マスキング装置
本発明の冷却装置２００に備えられるヘッダー２００には、マスキング装置５０を備えている。図６に、本発明の冷却装置に備えられるヘッダー２００の形態例を示す。図６（ａ）は、気液混合物が噴射される噴射面４０に、マスキング装置５０、５０を備えるヘッダー２００の正面図であり、図中の矢印は、噴射される気液混合物を示している。一方、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すヘッダー２００の側面図である。
本発明の冷却装置に備えられるヘッダー２００が図６の形態を採ることにより、マスキング装置５０、５０が備えられている部位において、気液混合物の噴射を制限することが可能になる。そのため、このヘッダー２００を備える冷却装置が熱間圧延鋼板等の冷却装置として使用され、例えば、マスキング装置５０、５０の設置間隔を鋼板端部の間隔以下に設定して、気液混合物の鋼板端部への噴射を制限すると、鋼板端部の過冷却を低減することが容易になり、鋼板を均一に冷却することが可能になる。
なお、マスキング装置５０、５０は、図６（ａ）の左右方向へと移動可能なものとしても良い。
【００４１】
また、複数のマスキング装置５０、５０、…を備える本発明の冷却装置において、二つのマスキング装置５０、５０は、鋼板の板幅以下の間隔で配置される。マスキング装置５０、５０、…は、ヘッダー２００より噴射される気液混合物を制限し得るため、上記二つのマスキング装置５０、５０が鋼板端部近傍に備えられると、当該鋼板端部の過冷却を低減することが可能になる。したがって、マスキング装置５０、５０がかかる配置を採ることにより、鋼板を均一に冷却することが容易になる。ここで、本発明のヘッダー２００を備える冷却装置において、ヘッダー２００に備えられているマスキング装置５０、５０、…を移動可能なものとすれば、本発明の冷却装置によって冷却される鋼板の板幅と対応するようにマスキング装置５０、５０、…の間隔を変更することが可能になり、様々な板幅の鋼板に対して鋼板端部の過冷却を抑制し得る冷却装置とすることが可能になる。したがって、本発明の冷却装置においては、移動可能なマスキング装置５０、５０、…を備えるヘッダー２００を具備することが好ましい。
【００４２】
４．流体供給方法
本発明のノズル１００に流体を供給する方法につき、以下に説明する。
本発明のノズル１００における入り側流路１へと供給される圧縮空気の供給圧をＰ１、複数の副流路４、４、…へと供給される工業用水の供給圧をＰ２とするとき、本発明の流体供給方法では、Ｐ１＞Ｐ２  の条件を満たすことを特徴とする。
【００４３】
上記供給圧Ｐ１及びＰ２が、Ｐ１＞Ｐ２  である場合には、入り側流路１へと供給される圧縮空気によって、複数の副流路４、４、…へと供給される工業用水を十分に微滴化することが可能になる結果、ノズル１００における出側流路２の出口側開口から噴射される気液混合物を、均一にすることが容易になる。そのため、出側流路２から噴射される気液混合物も均一になり、このノズル１００が熱間圧延鋼板等の冷却装置に備えられる場合には、その冷却装置の冷却能力及び均一性が向上する。一方、Ｐ１≦Ｐ２  である場合には、複数の副流路４、４、…から供給される工業用水が入り側流路１へと逆流し、空気の供給が困難になる。
【００４４】
ここで、本願発明者等の知見によると、入り側流路１へと供給される物質が空気であり、複数の副流路４、４、…へと供給される物質が水である場合であって、空気圧（Ｐ１）と水圧（Ｐ２）がＰ１＞Ｐ２  の条件を満たす際に、Ｐ１を一定に保ちつつＰ２を徐々に上げていくと、入り側流路１内において空気の通過断面積が小さくなるため、Ｐ２が上昇するにつれてノズル１００へと供給される空気の流量は徐々に減少する。ところが、Ｐ１とＰ２とがほぼ同じ（０．０５ＭＰａ以下の差）になると、空気の流量が急激に減少する。Ｐ１とＰ２との差が０．０５ＭＰａ以下になると、ノズル１００から噴射されるミストの流速が約５０％低下すると共に、ノズル１００の噴射口直下において当該噴射ミストの熱伝導率が大きく低下し、Ｐ２を増加させても熱伝導率は増加しなくなる。加えて、Ｐ１とＰ２との差が０．０５ＭＰａ以下になると、Ｐ１＞Ｐ２＋０．０５（ＭＰａ）である場合よりも、被冷却材である鋼板の温度ムラが１０％拡大する。したがって、Ｐ１の値は、「Ｐ２＋０．０５」の値よりも大きいことが好ましい。
【００４５】
５．鋼板の冷却方法
本発明の鋼板の冷却方法は、上記冷却装置を用いて熱間圧延鋼板等の鋼板を冷却する方法であって、使用される冷却装置にはヘッダー２００が備えられており、このヘッダー２００にはマスキング装置５０が２以上備えられているとともに、備えられた２つのマスキング装置５０、５０は、冷却される鋼板の板幅以下の間隔で設置されていることを特徴とする。かかる構成を採る冷却装置を用いて鋼板を冷却することにより、鋼板端部の過冷却を抑制し得る冷却が容易になり、鋼板を均一に冷却し得る鋼板の冷却方法を提供することが可能になる。
【実施例】
【００４６】
以下に、本発明の実施例及び比較例を示す。
本発明の実施例及び比較例では、鋼板を冷却することにより、本発明のノズルを備える冷却装置と従来のノズルを備える冷却装置との冷却能力を比較した。
本実施例の冷却能力測定試験において使用した本発明のヘッダーを、図７に示す。図７（ａ）は、ヘッダー２００の正面図であり、ヘッダー２００に設置されているノズル１００、１００、１００、１００、…より気液混合物が噴射され、図７（ａ）において、ヘッダー２００の下方に位置すべき鋼板を冷却する。これに対し、図７（ｂ）は、ヘッダー２００の下面図であり、図中の「○」は、ヘッダー２００に備えられるノズル１００、１００、…を示している。本実施例において、試験片は図７（ｂ）の上下方向へと送られ、試験片の幅方向は、図７（ｂ）の左右方向であった。以後、図７（ｂ）の上下方向を「長手方向」と、図７（ｂ）の左右方向を「幅方向」と、それぞれ記述する。
【００４７】
本実施例において使用したヘッダー２５０の長手方向及び幅方向の長さは、それぞれ１０００ｍｍ及び３００ｍｍであった。図７（ａ）及び（ｂ）におけるノズル１００、１００、…が本実施例におけるヘッダー２００の長手方向及び幅方向に設置される間隔を、それぞれ、５０ｍｍ及び４０ｍｍとすることにより、長手方向に６個及び幅方向に１９個の計１１４個のノズル１００、１００、…をヘッダー２００に設置した（図７（ｂ））。また、ヘッダー２００の幅方向において隣り合うノズル１００同士は、同長手方向におけるノズル間隔の半分（２５ｍｍ）だけずらして配置することにより、ヘッダー２００に設置されるノズル１００全体が千鳥配置となるようにした。加えて、図７（ａ）及び（ｂ）には図示されていないが、ヘッダー２００の幅方向に、１５０ｍｍのマスキング幅を有するマスキング装置を２個設置し、試験片端部の過冷却を抑制し得る位置に、これらのマスキング装置を備えた。
【００４８】
図７のヘッダー２００に設置され得るノズル１００の鉛直方向断面図を、図８に示す。本実施例において使用したノズル１００の各部分における寸法は、以下の通りとした。
入り側流路１の入口内径ｄ１；            １．２ｍｍ
複数の副流路４、４の内径ｄ２；            ３．０ｍｍ
複数の副流路４、４の数；                      周方向に３個
出側流路２の入口内径ｄ３；            ４．９ｍｍ
出側流路２の出口内径ｄ４；            １１．１ｍｍ
入り側流路１及び副流路４の中心線同士がなす角度；  ４５度
入り側流路１のテーパ角度；            １６度
出側流路２のテーパ角度；                      ４５度
入り側流路１の入口側開口と出側流路２の混合部側開口との間の距離Ｌ１；              １４ｍｍ
出側流路２の混合部側開口と出口側開口との間の距離Ｌ２；３．１ｍｍ
ここで、本実施例で使用したノズル１００は、３つの副流路を備えていたが、図８にはその中の２つの副流路４、４のみが図示されている。
【００４９】
本発明の比較例として、高い冷却能力を有するとされるスリットジェット冷却装置を用いた冷却能力測定試験を実施し、実施例の冷却能力と比較例の冷却能力とを比較した。ここで、本比較例において使用したスリットジェット冷却装置におけるスリット部の間隔及びヘッダー長手方向の長さは、それぞれ３ｍｍ及び１０００ｍｍであった。
本発明の比較例において使用したスリットジェット冷却装置の概略図を、図９に示す。図９は、スリットジェット冷却装置６０及び試験片７０を、冷却装置６０の側面から見た図であり、当該装置６０におけるスリット部６１及び試験片７０が含まれる範囲を拡大して示した。なお、図中の矢印は、試験片に噴射される冷却水である。
【００５０】
本発明の実施例及び比較例では、材質がＳＵＳ３１０Ｓである試験片を使用し、試験片の寸法は、２６５ｍｍ角及び厚さ３ｍｍであった。本実施例及び比較例においては、試験片の側面を除く２面（寸法が２６５ｍｍ×２６５ｍｍである面）のうち、一方の面（以後、「裏面」と記述する。）の中央に熱電対を溶着し、他方の面（以後、「表面」と記述する。）を冷却装置から噴射される冷却水により水冷して、表面温度の推移から冷却曲線を求め、かかる冷却曲線から熱伝達率を求めた。
【００５１】
本実施例及び比較例において実施した、上記試験片の冷却方法を以下に示す。
試験片を１０００℃まで加熱した後、試験片温度が９００℃となってから試験片の冷却を開始し、当該試験片表面の温度が２００℃以下となるまで、冷却を実施した。ヘッダーに設置されたノズルから噴射される噴射ミストの直下部（以後、単に「直下部」と記述する。）及び流水部における冷却曲線から、１００℃間隔毎にその冷却曲線の傾きを求め、かかる傾きから、熱伝達率を算出した。
【００５２】
ここで、熱伝達率の算出は、以下のように行った。
１）  上記冷却能力試験において、試験片の裏面に熱電対を溶着した後、その試験片を加熱し、引き続き、当該試験片の裏面を放冷するとともに、表面をノズルから噴射される気液混合物により冷却し、この冷却中における鋼板の温度変化を測定する。
２）  試験片の厚み、密度、比熱及び熱伝導率を考慮して、試験片表面の冷却速度を算出し、さらに、この冷却速度を熱流速及び試験片表面の面積で除することにより、鋼板表面の平均熱伝達率を表面温度の関数として算出する。
３）  上記冷却能力試験において、冷却条件を種々変化させた各場合における熱伝達率を算出する。
なお、本発明の実施例及び比較例では、試験片の位置を適宜変更することにより、直下部及び流水部における熱伝達率を測定した。
【００５３】
ところで、実際の厚板の製造ラインでは、通常、鋼板搬送方向に並べて設置されている複数個のヘッダーを備えた冷却装置を使用するため、鋼板の上面を冷却する場合には、鋼板表面に水膜が形成されるのに対し、スリットジェット冷却装置による冷却の場合には、高強度鋼製の水切りロールを用いて、鋼板上の流水をせき止めるのが一般的である。ここで、スリットジェット冷却装置により冷却する場合に使用する水切りロールは、ロール径が約２００〜３００ｍｍであって、冷却される鋼板を押し付けてロールを回転させる場合と、鋼板とロールとの隙間を３０ｍｍ程度開けている場合とがあり、このロールは、鋼板搬送方向に約１０００ｍｍ間隔で備えられた各スリットジェットノズルと１対１に対応するように設けられるのが通常である。
そこで、本発明の実施例及び比較例では、実際の厚板製造ラインにおける冷却装置（以後、「実機」と記述する。）により近い環境で実験を行うため、実施例においては板幅５００ｍｍ、高さ２００ｍｍのせき止め板を用いて試験片表面に水膜を形成させる一方、比較例においては２００ｍｍφのロールを用いて試験片上の流水をせき止めることにより、実機における鋼板の冷却状態を模擬した。図１０（ａ）及び（ｂ）に、本実施例におけるヘッダー及びせき止め板の配置の概念図を、図１０（ｃ）及び（ｄ）に、本比較例におけるスリットジェットノズル及びせき止め板の配置の概念図を、それぞれ示す。なお、図１０（ａ）〜（ｄ）において、図中の矢印は冷却媒体を示している。ここで、図１０（ａ）は、ヘッダー２００、せき止め板８０、及び試験片を置く試験台９０を横から見た、本実施例における実機模擬形態の側面図であり、便宜上、せき止め板８０は一つのみを図示している。一方、図１０（ｂ）は、ヘッダー２００、せき止め板８０、８０、及び試験台９０を上から見た、本実施例における実機模擬形態の上面図である。これに対し、図１０（ｃ）は、スリットジェットノズル６０、水切りロール８５、及び試験台９０を横から見た、本比較例における実機模擬形態の側面図であり、便宜上、せき止め板８０は図示していない。一方、図１０（ｄ）は、スリットジェットノズル６０、せき止め板８０、水切りロール８５、及び試験台９０を上から見た、本比較例における実機模擬形態の上面図である。
【００５４】
本発明の実施例及び比較例における熱伝達率の測定結果を、図１１に、あわせて示す。図１１において、実線は実施例の結果を、点線は比較例の結果を、それぞれ示している。
図１１の縦軸として示した熱伝達率は、直下部及び流水部における熱伝導率の値と、７５０ｍｍと仮定したヘッダー間隔の値とを用いて算出した、１ヘッダー当たりの試験片冷却長さである７５０ｍｍ間における平均熱伝達率である。
ここで、本発明の実施例におけるノズル一個当りの水量は、８．０Ｌ／分、圧縮空気の流量は、４０ＮＬ／分、ノズルにおける気水比は５．０ＮＬ／Ｌ、及びヘッダー一個当りの水量は、０．９１２ｍ３／分であったため、７５０ｍｍ間における平均水量密度は、０．９１２÷０．７５＝１．２１６ｍ３／分・ｍ２であった。一方、本発明の比較例におけるスリットジェットの流量は、３．０ｍ３／分であったため、７５０ｍｍ間における平均水量密度は、３．０÷０．７５＝４．０ｍ３／分・ｍ２であった。
【００５５】
図１１より、本実施例及び比較例において測定した全ての温度域で、実施例における熱伝達率が比較例における熱伝達率よりも大きかった。そのため、本発明のノズルを備えた冷却装置の方がスリットジェット冷却装置よりも冷却能力が大きいという結果が得られた。特に、６００℃以上の温度域においては、実施例における熱伝達率が、比較例における熱伝達率の約１．５倍になったことから、本発明のノズルを備える冷却装置は、スリットジェット冷却装置の約１．５倍の冷却能力を有する、との結果が得られた。一方で、上述のように、本実施例の平均水量密度は１．２１６ｍ３／分・ｍ２であったのに対し、本比較例の平均水量密度は４．０ｍ３／分・ｍ２であった。したがって、本発明のノズルを備えた冷却装置は、スリットジェット冷却装置よりも少ない水量で高い冷却能力を得ることが可能であるという結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】ノズルの実施形態例を示す図である。
【図２】気液比とテーパ角度との関係を示す図である。
【図３】ヘッダーの実施形態例を示す図である。
【図４】ヘッダー及びノズルを示す図である。
【図５】ヘッダーの形状例を示す図である。
【図６】ヘッダーの形態例を示す図である。
【図７】ヘッダーの実施形態例を詳細に示す図である。
【図８】ノズルの実施形態例を示す図である。
【図９】スリットジェットノズルの概略図である。
【図１０】実施例及び比較例における実機模擬形態図である。
【図１１】熱伝達率の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  入り側流路
２  出側流路
３  混合部
４  副流路
５  入り側流路の側面
８  主流路
９  チップの側面
１０  出側流路の側面
２０  第１流体供給部
２１  第２流体供給部
３０  第１隔壁
３１  第２隔壁
４０  噴射面
５０  マスキング装置
１００  ノズル（チップ）
２００  ヘッダー
【図１】
2005230684.tif 000003
【図２】
2005230684.tif 000004
【図３】
2005230684.tif 000005
【図４】
2005230684.tif 000006
【図５】
2005230684.tif 000007
【図６】
2005230684.tif 000008
【図７】
2005230684.tif 000009
【図８】
2005230684.tif 000010
【図９】
2005230684.tif 000011
【図１０】
2005230684.tif 000012
【図１１】
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